JP6434023B2 - Thermoelectric generator module and thermoelectric generator unit - Google Patents
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Description
関連出願の参照及び優先権主張
本願は、2013年12月5日出願の同時係属中の米国特許仮出願第61/912,151号(U.S. Provisional Application No.61/912,151)の非仮出願であり、上記仮出願に対し優先権を主張するものである。ここで上記特許出願を参照したことにより、その開示内容全体が本願に総て取り込まれたものとする。
REFERENCE TO RELATED APPLICATION AND CLAIM OF PRIORITY This application is a non-provisional application of US Provisional Application No. 61 / 912,151, co-pending US Patent Application No. 61 / 912,151, filed December 5, 2013 And claims priority to the provisional application. By referring to the above-mentioned patent application, the entire disclosure is incorporated in the present application.
政府の利益の声明
本発明は、米国エネルギー省により与えられた認可番号DE−EE0004840の元で政府の援助を受けてなされた。従って、米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
Government Benefit Statement This invention was made with government support under grant number DE-EE0004840 awarded by the US Department of Energy. Accordingly, the US government has certain rights in this invention.
背景技術
本発明は、熱電発電装置(thermoelectric generators, TEG)に関するものであり、詳細には、自動車において使用するための熱電発電装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to thermoelectric generators (TEG), and more particularly to a thermoelectric generator for use in an automobile.
自動車の燃料効率は、排気ガスシステムに熱電発電装置(TEG)を組み込むことによって、改善することができる。熱電発電装置は、ゼーベック効果を利用して、内燃機関からの排熱を電気に変換する。典型的な熱電発電装置には、高温側熱交換器と、低温側熱交換器と、熱電材料と、圧縮アセンブリとが含まれている。これらの熱交換器は一般に、高い熱伝導率を有する金属のプレートとして構成されている。熱電モジュールの二つの表面間の温度差により、ゼーベック効果を利用して電気が発生する。エンジンからの高温排気ガスが熱電発電装置を通過すると、発電装置内部に設けられた半導体の電荷キャリアが、高温側熱交換器から低温側熱交換器へ拡散する。電荷キャリアの形成によって、静電ポテンシャルVa(図2)を生じさせる実効電荷が発生する一方、熱の伝達によって電流が搬送される。排気ガス温度が700℃(約1300°F)又はそれ以上であれば、高温側の排気ガスと低温側の冷媒との間の温度差は、数百度である。いくつかの自動車用熱電発電装置の場合、この温度差によって、500〜750Wの電気を発生させることができる。 Automotive fuel efficiency can be improved by incorporating a thermoelectric generator (TEG) into the exhaust gas system. The thermoelectric generator converts exhaust heat from the internal combustion engine into electricity using the Seebeck effect. A typical thermoelectric generator includes a high temperature side heat exchanger, a low temperature side heat exchanger, a thermoelectric material, and a compression assembly. These heat exchangers are generally configured as metal plates with high thermal conductivity. Due to the temperature difference between the two surfaces of the thermoelectric module, electricity is generated using the Seebeck effect. When the high-temperature exhaust gas from the engine passes through the thermoelectric power generator, semiconductor charge carriers provided in the power generator diffuse from the high-temperature side heat exchanger to the low-temperature side heat exchanger. The formation of charge carriers generates an effective charge that generates an electrostatic potential Va (FIG. 2), while current is carried by heat transfer. If the exhaust gas temperature is 700 ° C. (about 1300 ° F.) or higher, the temperature difference between the high temperature side exhaust gas and the low temperature side refrigerant is several hundred degrees. In some automotive thermoelectric generators, this temperature difference can generate 500-750 W of electricity.
圧縮アセンブリを設ける目的は、熱電モジュールと熱交換器表面との間の熱的な接触抵抗を低減することである。冷媒をベースとする自動車用熱電発電装置の場合、低温側熱交換器は、冷却流体としてエンジンの冷媒を使用するのに対し、排気ガスをベースとする熱電発電装置の場合、低温側熱交換器は、冷却流体として周囲空気を使用する。 The purpose of providing a compression assembly is to reduce the thermal contact resistance between the thermoelectric module and the heat exchanger surface. In the case of a thermoelectric generator for an automobile based on a refrigerant, the low-temperature side heat exchanger uses an engine refrigerant as a cooling fluid, whereas in the case of a thermoelectric generator based on an exhaust gas, the low-temperature side heat exchanger Uses ambient air as the cooling fluid.
例えば、図1に全体を概略的に示した車両排気ガスシステム10には、排気管12が含まれており、この排気管12は、内燃機関14からの加熱された排気ガスを、一例としてテールパイプとして構成された排気ガスシステム出口16へ向かわせる。排気ガスシステム10には、内燃機関14と出口16との間に配置される、マフラー、レゾネーター、触媒等、付加的な排気ガスコンポーネントを含み得る。このような排気ガスシステムに、熱電発電装置20が組み込まれており、具体的には排気管12に組み込まれており、この熱電発電装置20によって、排気ガスにより発生した熱が電気エネルギー/電力に変換される。熱電発電装置20は、このようにして発生した電気エネルギーを、再充電可能なバッテリ等のような蓄積装置Sに蓄積することができ、及び/又は、熱電発電装置20は、電気エネルギーを必要に応じて様々な車両システムVS1〜VSnへ供給することができる。車両システムVS1〜VSnとして、エンジン制御装置、排気ガスシステム制御装置、ドアロックシステム、窓開閉機構、室内照明等を挙げることができる。さらに、熱電発電装置20が発生した電気エネルギーの蓄積及び使用を制御するために、コントローラ22を設けてもよい。
For example, the vehicle
一例を挙げると、熱電ユニット20は、効率的な動作に対し特定の上限温度及び下限温度を有する半導体及び半金属の材料のうち、少なくとも一つの材料によって構成されている。このような上限温度を超えた過度に高い排気ガス温度に材料が曝されると、それらの材料が損傷してしまう虞があり、下限よりも低い排気ガス温度であると、電力の発生が非効率的になる可能性がある。従って、従来のシステムでは、排気管12内で熱電発電装置20の上流に、温度制御装置30を設ける必要があった。温度制御装置30を冷却装置30aの形態とすることができ、当該冷却装置30aは、加熱された排気ガスを、熱電発電装置20の構造に使用された材料の上限温度と下限温度との間の特定の温度範囲内の温度に冷却する。次いで、このようにして冷却された排気ガスが、熱電ユニット20の入口32に供給される。排気ガスは熱電発電装置20を通過し、排気ガスによる排熱が電気エネルギーに変換され、その後、排気ガスは熱電発電装置20の出口34から排出される。この構成は非バイパス構成から成るものであり、これによれば、総ての排気ガスが熱電ユニット20内を流れて通過する。
For example, the
冷却装置30aとして、数多くの様々なタイプの冷却コンポーネントを挙げることができる。例えば冷却装置30aを、流体冷却型熱交換器とすることができ、又は、冷却装置30aは、冷却用の空気注入装置又は水注入装置を含み得る。選択的に、冷却装置30aは、空気注入装置と連結された空隙パイプ又は強制空気冷却装置を有することもでき、これによって冷却と熱慣性におけるポテンシャル低減とを行うことができ、著しく急激な加熱が回避される。さらに冷却装置30aを、上述の圧縮アセンブリの機能が組み込まれるように構成してもよく、具体的にはこのことは、熱電発電装置20の低温側熱交換器に冷媒又は冷却作用を向かわせることによって行われる。
The
熱電発電装置のキーとなるコンポーネントは、熱電(TE)モジュールであり、これによって熱流束が電力に変換される。図2には、典型的な熱電モジュール50の全般的な構成及び動作が描かれている。熱電モジュール50には、交互に配置されたn型及びp型の半導体脚部52,54がそれぞれ設けられており、これらの半導体脚部は、接続部56において電気的に直列に接続されている。脚部及び電気的な接続部を、熱電ユニット20内部の低温側基板60と高温側基板61との間で、サンドイッチ構造にすることができる。温度勾配により、ゼーベック効果Eemf=−S▽Tに従い、各脚部に電流58が流れる。但し、Sは、局所的な材料の属性であるゼーベック係数であり、▽Tは、半導体脚部全体にわたる温度勾配である。
A key component of a thermoelectric generator is a thermoelectric (TE) module, which converts heat flux into electrical power. FIG. 2 depicts the general configuration and operation of a typical
熱から電気への変換の効率は、無次元の性能指数ZT:
ZT=σS2T/(κel+κlat)
により表される材料属性である。但し、σは導電率、Sはゼーベック係数、Tは温度、κelは電子熱伝導率、κlatは格子熱伝導率である。
The efficiency of heat to electricity conversion is the dimensionless figure of merit ZT:
ZT = σS 2 T / (κ el + κ lat )
Is a material attribute represented by Where σ is the conductivity, S is the Seebeck coefficient, T is the temperature, κ el is the electronic thermal conductivity, and κ lat is the lattice thermal conductivity.
概要
本発明は、車両の排気ガスシステムに組み込まれるように構成された熱電発電(TEG)ユニットに関する。このユニットには、複数の熱電発電装置モジュールが含まれており、各モジュールは、電気的に相互接続された複数のp型及びn型の熱電材料脚部を有しており、各脚部は、モジュールの高温側の基板と低温側の基板との間に延在している。この場合、脚部のための熱電材料は、1.0よりも大きい熱電性能指数(ZT)を有するハーフホイスラー化合物である。一つの観点によれば、脚部のための熱電材料は、単位胞あたり0.005の電子又は正孔よりも低いドーピングレベルを有することができる。
SUMMARY The present invention relates to a thermoelectric power generation (TEG) unit configured to be incorporated into a vehicle exhaust gas system. The unit includes a plurality of thermoelectric generator modules, each module having a plurality of electrically interconnected p-type and n-type thermoelectric material legs, each leg being The module extends between the high temperature side substrate and the low temperature side substrate of the module. In this case, the thermoelectric material for the legs is a half-Heusler compound having a thermoelectric figure of merit (ZT) greater than 1.0. According to one aspect, the thermoelectric material for the legs can have a doping level lower than 0.005 electrons or holes per unit cell.
一つの特徴によれば、p型の脚部のための熱電材料は、YNiSb,YNiBi,LaNiSb及びLaNiBiを含むハーフホイスラー化合物のグループから選択される。さらに別の特徴によれば、n型の脚部のための熱電材料は、NbFeSb,VCoSn及びTaFeSbを含むハーフホイスラー化合物のグループから選択される。p型及びn型の化合物のドーピングを、化合物の成分の一部分を所定の元素又は合金と置き換えることによって、最適化することができる。 According to one characteristic, the thermoelectric material for the p-type legs is selected from the group of half-Heusler compounds comprising YNiSb, YNiBi, LaNiSb and LaNiBi. According to yet another feature, the thermoelectric material for the n-type legs is selected from the group of half-Heusler compounds comprising NbFeSb, VCoSn and TaFeSb. The doping of p-type and n-type compounds can be optimized by replacing some of the components of the compounds with certain elements or alloys.
詳細な説明
本発明の原理を理解し易くする目的で、図面に示した実施形態を参照しながら、それらについて以下に詳細に説明する。但し、以下の説明が本発明の範囲の限定を意図したものでないことは無論のことである。さらに、例示した実施形態に対するいかなる代替や変更も本発明に含まれるものであり、また、本発明の開示内容に関連する当業者であれば一般的に想定するであろう本発明の原理のさらに別の応用も含まれるものであることも無論のことである。
DETAILED DESCRIPTION For the purposes of facilitating understanding of the principles of the invention, reference will now be made in detail to the embodiments illustrated in the drawings. However, it is needless to say that the following description is not intended to limit the scope of the present invention. Further, any alternatives or modifications to the illustrated embodiments are intended to be included in the present invention, and further to the principles of the present invention that would generally be assumed by one of ordinary skill in the art to which this disclosure relates. Of course, other applications are also included.
BiTe(ビスマス−テルル)等慣用の熱電材料は、低い動作温度を有しており、従って、自動車用途においてそれらの熱電材料を使用するのには制約があり、及び/又は、排気ガス流を冷却する装置が必要とされる。近年、広い温度範囲にわたり高い性能を発揮するいくつかの種類の熱電材料が開発されてきた。それらの材料のうち、いくつかのハーフホイスラー(HH)化合物は、主としてn型の材料であり、遷移金属から成る二つのグループと、金属と半金属から成る三つのグループとを含んでいる。但し、ハーフホイスラー化合物のZT値は疑わしく、ハーフホイスラー化合物の組成空間は、現時点ではまだ十分には調査されていない。量子力学シミュレーションを利用して、多数の様々なハーフホイスラー化合物についてZT値を計算し、熱電発電装置への利用の可能性のある新規のハーフホイスラー化合物を特定することができる。 Conventional thermoelectric materials such as BiTe (bismuth-tellurium) have low operating temperatures, and therefore there are limitations to using these thermoelectric materials in automotive applications and / or cool the exhaust gas stream. A device to do is needed. In recent years, several types of thermoelectric materials that exhibit high performance over a wide temperature range have been developed. Of those materials, some half-Heusler (HH) compounds are primarily n-type materials, including two groups of transition metals and three groups of metals and metalloids. However, the ZT value of the half-Heusler compound is doubtful, and the composition space of the half-Heusler compound has not yet been sufficiently investigated. Quantum mechanics simulation can be used to calculate ZT values for a number of different half-Heusler compounds and to identify new half-Heusler compounds that may be used in thermoelectric generators.
種々の材料データベースにおいて、これまで88個の三元系化合物について、ハーフホイスラー型構造を有することが報告されており、これについては付録に示した参考文献[1]の概観でまとめられている。対象とするハーフホイスラー化合物は、以下の二つの基準に基づき選択されている。即ち、1)地球上に豊富にある安価な元素から成る材料であること、及び2)半導体の材料であること、である。後者の条件は、付録に示した参考文献[2]で述べられているように、化学式単位ごとに18個の価電子を有する化合物から選択することによって充足される。第2の条件を適用することによって、リストは、88個のハーフホイスラー化合物から15個のハーフホイスラー化合物に絞り込まれる。さらに、これら15個の現存するハーフホイスラー化合物の化学元素を、同じグループに属しかつ同様の共有結合半径を有する他の元素と置き換えることによって、13個の仮定的な化合物が特定されている。以下の表1に、28個のハーフホイスラー化合物(15個の現存する化合物、及び、(?) で示された13個の仮定的な化合物)から成る化合物リストを示す。 In various material databases, 88 ternary compounds have so far been reported to have a half-Heusler structure, which is summarized in the overview of the reference [1] shown in the appendix. The target half-Heusler compound is selected based on the following two criteria. That is, 1) a material composed of inexpensive elements abundant on the earth, and 2) a semiconductor material. The latter condition is satisfied by selecting from compounds having 18 valence electrons per chemical unit, as described in reference [2] in the appendix. By applying the second condition, the list is narrowed from 88 half-Heusler compounds to 15 half-Heusler compounds. Furthermore, 13 hypothetical compounds have been identified by replacing the chemical elements of these 15 existing half-Heusler compounds with other elements that belong to the same group and have similar covalent radii. Table 1 below shows a compound list consisting of 28 half-Heusler compounds (15 existing compounds and 13 hypothetical compounds indicated by (?)).
表1に挙げたこれら28個のハーフホイスラー化合物の電子輸送係数は、BoltzTraP プログラムを用いることにより、単一モード緩和時間近似(SMTRA)により電子についてボルツマン輸送方程式(BTE)を解くことによって計算することができる。これについては文献[3]を参照されたい。これらの計算のためには、入力として、電子バンド構造と、BTE理論の中心的な量である電子緩和時間τとが必要とされる。電子バンド構造は一般に、密度汎関数理論(DFT)を用いて計算される一方、τは(電子エネルギー、化学ポテンシャルμ及び温度Tには左右されずに)一定であるものとされる。DFT法は、高速かつロバストではあるが、半導体の電子バンドギャップを実際よりは小さく見積もるものとして知られている。従って、より正確な(但し、計算コストがさらに掛かる)バンド構造計算方法を利用することができ、これはGW法として知られている。Quantum ESPRESSO(参考文献[4]を参照)とBerkeleyGW(参考文献[5]を参照)のパッケージを使用して、表1から選択された6個のハーフホイスラー化合物について実施したDFT及びGWの計算により、以下の表2に示すバンドギャップ(単位eV)がそれぞれ算出された。 The electron transport coefficients for these 28 half-Heusler compounds listed in Table 1 should be calculated by solving the Boltzmann Transport Equation (BTE) for the electrons by single mode relaxation time approximation (SMTRA) using the BoltzTraP program. Can do. For this, see reference [3]. For these calculations, the electronic band structure and the electron relaxation time τ, which is the central quantity of the BTE theory, are required as inputs. The electronic band structure is generally calculated using density functional theory (DFT), while τ is assumed to be constant (independent of electron energy, chemical potential μ and temperature T). Although the DFT method is fast and robust, it is known to estimate the electronic band gap of a semiconductor smaller than the actual one. Therefore, a more accurate (but more computationally expensive) band structure calculation method can be used, which is known as the GW method. Using the DFT and GW calculations performed on six half-Heusler compounds selected from Table 1 using the packages of Quantum ESPRESSO (see reference [4]) and BerkeleyGW (see reference [5]) The band gap (unit: eV) shown in Table 2 below was calculated.
表2におけるDFT及びGWの数値間の類似性から示唆されるのは、大部分の半導体とは対照的に、ハーフホイスラー化合物に関して、DFTはバンド構造を正確に予測することができる、ということである。従って、表1に挙げた残りの22個のハーフホイスラー化合物のバンド構造計算のために、DFT方法を使用した。 The similarity between the DFT and GW values in Table 2 suggests that DFT can accurately predict the band structure for half-Heusler compounds, as opposed to most semiconductors. is there. Therefore, the DFT method was used for the band structure calculations of the remaining 22 half-Heusler compounds listed in Table 1.
熱電発電機の動作に典型的な高い温度において、τに主として寄与するのは、電子−フォノン散乱である。電子−フォノン相互作用の第一原理計算式を、付録に記載した参考文献[6]に概略的に示されているようにして適用することができ、それに続いてEPA(電子−フォノン平均化)近似が行われる。参考文献[6]によれば、逆元τは、電子−フォノン相互作用の行列の要素、電子及びフォノンの占有数、並びに、電子の密度状態として表現される。EPA近似によれば、電子−フォノン相互作用の行列の要素が、Quantum ESPRESSOパッケージ(参考文献[4])を使用した密度汎関数摂動論(DFPT)において計算され、電子及びフォノンの運動量について平均化され、その後、平均化されたそれらの量が、参考文献[6]の式に従い逆元τの計算に用いられる。計算されたτは電子のBTEに代入され、次いで導電率σ、熱伝導率κel及びゼーベック係数Sを計算するためにBTEが解かれる。ZTの式に代入される残りの量、即ち、格子熱伝導率κlatを、フォノンのBTEを解くことにより計算することができる。但し、熱電材料の最適化に対するこれまでの取り組みから判明したのは、ハーフホイスラー化合物のκlatは、合金化(質量無秩序)及びナノ構造化により、その結晶値から大きく低減される可能性がある、ということである。これについては文献[7]及び[8]を参照されたい。従って、κlatの値は2.2W(mK)に設定され、この値は、T=400℃で測定したときの、二つの最適化された化合物、即ち、n型のHf0.75Zr0.25NiSn0.99Sb0.01及びp型のHf0.8Ti0.2CoSb0.8Sn0.2のκlatの値についての平均である。これについては文献[7]及び[8]を参照されたい。 At high temperatures typical of thermoelectric generator operation, it is electron-phonon scattering that primarily contributes to τ. First-principles formulas for electron-phonon interactions can be applied as outlined in reference [6] listed in the appendix, followed by EPA (electron-phonon averaging). An approximation is made. According to the reference [6], the inverse element τ is expressed as an element of an electron-phonon interaction matrix, the number of electrons and phonons occupied, and an electron density state. According to the EPA approximation, the elements of the electron-phonon interaction matrix are calculated in density functional perturbation theory (DFPT) using the Quantum ESPRESSO package (Ref. [4]) and averaged for electron and phonon momentum. And then the averaged quantities are used to calculate the inverse τ according to the equation in reference [6]. The calculated τ is substituted into the BTE of the electron, and then the BTE is solved to calculate the conductivity σ, the thermal conductivity κ el and the Seebeck coefficient S. The remaining amount substituted into the ZT equation, ie, the lattice thermal conductivity κ lat , can be calculated by solving the phonon BTE. However, previous efforts to optimize thermoelectric materials have revealed that κ lat of half-Heusler compounds can be greatly reduced from their crystalline values by alloying (mass disorder) and nanostructuring. ,That's what it means. Refer to documents [7] and [8] for this. Therefore, the value of κ lat is set to 2.2 W (mK), which is the value of two optimized compounds when measured at T = 400 ° C., namely n-type Hf 0.75 Zr 0. .25 NiSn 0.99 Sb 0.01 and p-type Hf 0.8 Ti 0.2 CoSb 0.8 Sn 0.2 average for κ lat values. Refer to documents [7] and [8] for this.
表1に挙げた28個のハーフホイスラー化合物の電子輸送係数及びZT値を、平均動作温度T=400℃のときの化学ポテンシャルμの関数として計算することができる。ハーフホイスラー化合物ごとにZT対μの曲線は、μが価電子帯上端(VBM)と伝導帯下端(CBM)とに近づいたときに、二つの最大値を有している。これら二つのμの値は、それぞれp型領域とn型領域とにおける最適なドーピングレベルに対応する。図3のグラフには、結果として得られたドーピングレベルが示されている。これらのドーピングレベルは、自己ドーピングの原因となる固有欠陥に起因して、これらの化合物のドーパント濃度と同一ではない。例えば、固有のZrCoSbとTiZNiSnの化合物は、単位胞あたり約0.1の電子の自己ドーピングレベルを有するn型材料である。これについては文献[9]及び[10]を参照されたい。それにもかかわらず、ドーピングレベルとドーパント濃度との間には、以下のような相関がある。即ち、図3に示されているように、n型の(Ti,Zr,Hf)NiSnについて最適なドーピングレベルは、単位胞あたり約0.005の電子であり、p型の(Ti,Zr,Hf)CoSbについては、単位胞あたり約0.055の正孔である一方、これらの材料の最適なドーパント濃度は、それぞれx=0.01及びx=0.2である(参考文献[7]、[8]参照)。 The electron transport coefficients and ZT values of the 28 half-Heusler compounds listed in Table 1 can be calculated as a function of the chemical potential μ at an average operating temperature T = 400 ° C. For each half-Heusler compound, the ZT vs. μ curve has two maximum values when μ approaches the valence band top (VBM) and the conduction band bottom (CBM). These two values of μ correspond to optimum doping levels in the p-type region and the n-type region, respectively. The resulting doping level is shown in the graph of FIG. These doping levels are not the same as the dopant concentration of these compounds due to inherent defects that cause self-doping. For example, the unique ZrCoSb and TiZNiSn compound is an n-type material having a self-doping level of about 0.1 electrons per unit cell. For this, see references [9] and [10]. Nevertheless, the following correlation exists between the doping level and the dopant concentration. That is, as shown in FIG. 3, the optimum doping level for n-type (Ti, Zr, Hf) NiSn is about 0.005 electrons per unit cell, and p-type (Ti, Zr, For Hf) CoSb, there are about 0.055 holes per unit cell, while the optimum dopant concentrations for these materials are x = 0.01 and x = 0.2, respectively (reference [7] , [8]).
例示の目的で図4には、最適にドーピングされたp型及びn型のハーフホイスラー化合物において、T=400℃における、エネルギーμ±kBT(但し、kBはボルツマン定数)のときの電子のτの値が示されている。図4に示されているように、それぞれ異なるハーフホイスラー化合物について、又は、同一のハーフホイスラー化合物であるがp型にドーピングされたかn型にドーピングされたかによって、τは2桁よりも大きく変化している。このことにより示唆されるのは、文献で広く採用されているようにτを一定とした近似は、ハーフホイスラー化合物(及び一般に半導体材料)については不適切、ということである。 For illustrative purposes, FIG. 4 shows electrons in an optimally doped p-type and n-type half-Heusler compound at an energy μ ± k B T (where k B is Boltzmann's constant) at T = 400 ° C. The value of τ is shown. As shown in FIG. 4, τ varies by more than two orders of magnitude for different half-Heusler compounds or depending on whether the same half-Heusler compound is doped p-type or n-type. ing. This suggests that the approximation with τ constant as widely adopted in the literature is inappropriate for half-Heusler compounds (and generally semiconductor materials).
図5には、最適にドーピングされたp型及びn型のハーフホイスラー化合物について、T=400℃のときの性能指数ZTの値が示されている。図5に示されたデータ分析から明らかにされたのは、(Ti,Zr,Hf)NiSn化合物は、n型のハーフホイスラー化合物材料のうち最も大きいZT値のうちの一つを有する、ということである。この結果は、実験的に最適化されたn型の(Ti,Zr,Hf)NiSn化合物と一致している。これについては文献[7]を参照されたい。但し、計算によれば、(Ti,Zr,Hf)NiSn化合物の値よりも大きいZT値を有する四つのn型化合物(一つの現存する化合物及び三つの仮定的な化合物)が確認されている。それらの化合物には、現存する化合物であるNbFeSbと、理論上の化合物であるVCoSn,TaFeSb及びNbFeBiが含まれる。計算によれば、p型の(Ti,Zr,Hf)CoSb化合物は、n型の(Ti,Zr,Hf)NiSn化合物に比較して、中庸なZT値を有している。この測定は、やはり実験データと一致している。これについては文献[8]を参照されたい。計算によれば、(Ti,Zr,Hf)CoSb化合物の値よりも大きいZT値を有する四つのp型の化合物(総て現存)が確認されており、即ち、それらの化合物とは、YNiSb、LaNiBi、LaNiSb及びYNiBiである。 FIG. 5 shows the figure of merit ZT for T = 400 ° C. for optimally doped p-type and n-type half-Heusler compounds. The data analysis shown in FIG. 5 reveals that the (Ti, Zr, Hf) NiSn compound has one of the largest ZT values among the n-type half-Heusler compound materials. It is. This result is consistent with the experimentally optimized n-type (Ti, Zr, Hf) NiSn compound. For this, see reference [7]. However, according to the calculation, four n-type compounds (one existing compound and three hypothetical compounds) having a ZT value larger than that of the (Ti, Zr, Hf) NiSn compound are confirmed. These compounds include NbFeSb, which is an existing compound, and VCoSn, TaFeSb, and NbFeBi, which are theoretical compounds. According to the calculation, the p-type (Ti, Zr, Hf) CoSb compound has a moderate ZT value as compared with the n-type (Ti, Zr, Hf) NiSn compound. This measurement is also consistent with experimental data. For this, see reference [8]. According to the calculation, four p-type compounds (all existing) having a ZT value larger than that of the (Ti, Zr, Hf) CoSb compound are confirmed, that is, these compounds include YNiSb, LaNiBi, LaNiSb and YNiBi.
三つの仮定的なハーフホイスラー化合物を、見込みのあるn型材料として認めることができる:VCoSn,TaFeSb,NbFeBi。これらの仮定的な化合物の安定性をチェックするために、三元系のV−Co−Sn、Ta−Fe−Sb及びNb−Fe−Biの総ての既知の化合物のエネルギーと同様に、それらのエネルギーを計算することができる。仮定的な化合物各々の三元空間に凸包を構築する。結果として得られた三元相図が図6に示されており、この図によれば、安定した化合物と不安定な化合物とが(凸包の内側と外側で)、黒丸(安定)と白丸(不安定)によって示されている。着目対象である仮定的な化合物は、三角形中心の丸によって表されている。図6に示されているように、VCoSn及びTaFeSbは安定しているのに対し、NbFeBiは不安定である。凸包の分析によれば、VCoSn及びTaFeSbの生成エネルギーは、それぞれ1mev/原子及び68meV/原子であるのに対し、NbFeBiの生成エネルギーは−197meV/原子である、ということが予測される。幸いにも、不安定なNbFeBiは、図5に示した三つの仮定的な化合物のうち、最も低いZT値を有している。 Three hypothetical half-Heusler compounds can be recognized as promising n-type materials: VCoSn, TaFeSb, NbFeBi. To check the stability of these hypothetical compounds, as well as the energies of all known compounds of the ternary V—Co—Sn, Ta—Fe—Sb and Nb—Fe—Bi, The energy of can be calculated. Convex hulls are constructed in the ternary space of each hypothetical compound. The resulting ternary phase diagram is shown in FIG. 6, which shows that stable and unstable compounds (inside and outside the convex hull) are black circles (stable) and white circles. It is indicated by (unstable). The hypothetical compound of interest is represented by a circle at the center of the triangle. As shown in FIG. 6, VCoSn and TaFeSb are stable, whereas NbFeBi is unstable. According to the analysis of the convex hull, it is predicted that the production energies of VCoSn and TaFeSb are 1 mev / atom and 68 meV / atom, respectively, while the production energy of NbFeBi is -197 meV / atom. Fortunately, unstable NbFeBi has the lowest ZT value of the three hypothetical compounds shown in FIG.
ここで提案する7個のハーフホイスラー化合物(四つのp型の化合物及び三つのn型の化合物)に関する最大のZT値及び最適なドーピングレベルを、以下の表3に示す。表3に挙げたZT値を達成するために、これらの化合物を最適なレベルまでドーピングし、合金化(質量無秩序)及びナノ構造化によって、それらの格子熱伝導率をκlat=2.2W/(mK)まで低減させる。表3の左半分に挙げた化合物についてp型ドーピングを、Y又はLaの部分をMg,Ca,Sr又はBaと置き換えることによって、Niの部分をCoと置き換えることによって、Sb又はBiの部分をC,Si,Ge,Sn又はPbと置き換えることによって、達成することができる。表3の右半分に挙げた化合物についてn型ドーピングを、V,Nb又はTaの部分をTi,Zr又はHfと置き換えることによって、Feの部分をMnと置き換えることによって、Coの部分をFeと置き換えることによって、Snの部分をB,Al,Ga又はInと置き換えることによって、Sbの部分をC,Si,Ge,Sn又はPbと置き換えることによって、達成することができる。表3に挙げた化合物について、質量無秩序を、Y,La及びランタニドの合金化によって、V,Nb及びTaの合金化によって、Sn,C,Si,Ge及びPbの合金化によって、並びに、Sb,Bi,N,P及びAsの合金化によって、達成することができる。 The maximum ZT values and optimum doping levels for the seven half-Heusler compounds proposed here (four p-type compounds and three n-type compounds) are shown in Table 3 below. In order to achieve the ZT values listed in Table 3, these compounds are doped to an optimal level and their lattice thermal conductivity is reduced to κ lat = 2.2 W / by alloying (mass disorder) and nanostructuring. Reduce to (mK). For the compounds listed in the left half of Table 3, the p-type doping is replaced by replacing the Y or La part with Mg, Ca, Sr or Ba, the Ni part with Co, and the Sb or Bi part with C. , Si, Ge, Sn or Pb can be achieved. For the compounds listed in the right half of Table 3, n-type doping replaces the Fe portion with Mn by replacing the V, Nb or Ta portion with Ti, Zr or Hf, and the Co portion with Fe. This can be achieved by replacing the Sn portion with B, Al, Ga or In and replacing the Sb portion with C, Si, Ge, Sn or Pb. For the compounds listed in Table 3, the mass disorder can be determined by alloying Y, La and lanthanides, by alloying V, Nb and Ta, by alloying Sn, C, Si, Ge and Pb, and Sb, This can be achieved by alloying Bi, N, P and As.
表3
p型 n型
化合物 ZT ドーピング 化合物 ZT ドーピング
YNiSb 1.61 0.003 NbFeSb 1.40 0.001
LaNiBi 1.44 0.003 VCoSn 1.34 0.003
LaNiSb 1.26 0.004 TaFeSb 1.31 0.001
YNiBi 1.22 0.003
Table 3
p-type n-type compound ZT doping compound ZT doping
YNiSb 1.61 0.003 NbFeSb 1.40 0.001
LaNiBi 1.44 0.003 VCoSn 1.34 0.003
LaNiSb 1.26 0.004 TaFeSb 1.31 0.001
YNiBi 1.22 0.003
本発明の一つの観点によれば、表3に挙げられたp型及びn型のハーフホイスラー化合物は、熱電発電ユニット20(図1)に組み込まれる熱電モジュール50(図2)の半導体脚部52,54のための熱電材料として使用される。ハーフホイスラー化合物は、安定性、高いZT及び約2.2W/(mK)以下の格子熱伝導率に応じて選択される。
According to one aspect of the present invention, the p-type and n-type half-Heusler compounds listed in Table 3 are used in the
p型化合物のドーピングを、イットリウム又はランタンの成分の部分をアルカリ土類金属と置き換えることにより、ニッケルの部分をコバルトと置き換えることにより、及び/又は、アンチモン又はビスマスの部分を非金属又は卑金属と置き換えることにより、最適化することができる。 Doping p-type compounds by replacing the yttrium or lanthanum component part with an alkaline earth metal, replacing the nickel part with cobalt, and / or replacing the antimony or bismuth part with a non-metal or base metal. Can be optimized.
また、n型化合物のドーピングを、5B遷移金属を4B遷移金属と置き換えることにより、鉄の部分をマンガンと置き換えることにより、又は、コバルトの部分を鉄と置き換えることにより、及び/又は、スズを3A系列の元素と置き換えることにより、又は、アンチモンを4A系列の元素と置き換えることにより、最適化することができる。 Also, doping of the n-type compound can be accomplished by replacing the 5B transition metal with a 4B transition metal, replacing the iron portion with manganese, or replacing the cobalt portion with iron, and / or tin 3A. It can be optimized by substituting with a series element or by substituting antimony with a 4A series element.
別の観点によれば、表3に挙げた化合物の質量無秩序を、イットリウム及びランタニドの合金化、5B遷移金属の合金化、4A系列の元素の合金化、並びに、5A系列の元素の合金化により、達成することができる。
p型の脚部のための熱電材料は、イットリウム、ランタニド又はこれらの合金と、ニッケルと、アンチモン、ビスマス又はこれらの合金との合金から成るハーフホイスラー化合物とし得る。n型の脚部のための熱電材料は、ニオブ、バナジウム、タンタル又はこれらの合金と、鉄又はコバルトと、アンチモン又はスズとの合金から成るハーフホイスラー化合物とし得る。
According to another aspect, the mass disorder of the compounds listed in Table 3 can be achieved by alloying yttrium and lanthanide, alloying 5B transition metal, alloying 4A series elements, and alloying 5A series elements. Can be achieved.
The thermoelectric material for the p-type legs may be a half-Heusler compound consisting of an alloy of yttrium, lanthanide or alloys thereof and nickel and antimony, bismuth or alloys thereof. The thermoelectric material for the n-type legs can be a half-Heusler compound consisting of an alloy of niobium, vanadium, tantalum or alloys thereof, iron or cobalt, and antimony or tin.
本開示は、例示的なものとしてみなされるべきものであり、特徴を限定するものではない。さらに、いくつかの実施形態だけを呈示してきたが、本開示の着想の範囲内でなされるあらゆる変化、変更及びさらに別の応用も、保護されることが望まれることは無論である。 The present disclosure is to be regarded as illustrative and not restrictive in character. Moreover, while only some embodiments have been presented, it is understood that any changes, modifications and further applications made within the scope of the present disclosure are desired to be protected.
付録
本明細書では以下の文献を引用した。ここで参照したことにより、これらの開示内容は本願に取り込まれるものとする。
[1]Winnie Wong-Ng及び J. Yang著 "International Centre for Diffraction Data and American Society for Metals database survey of thermoelectric half-Heusler material systems." Powder Diffraction 第28巻第1号第32頁、2013年刊。
[2]B. R. K. Nanda及びI. Dasgupta著 "Electronic structure and magnetism in half-Heusler compounds." Journal of Physics: Condensed Matter 第15巻第43号第7307頁、2003年刊。
[3]Georg K. H. Madsen及びDavid J. Singh著 "BoltzTraP. A code for calculating band-structure dependent quantities." Computer Physics Communications 第175巻第1号第67頁、2006年刊。
[4]P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, G.L. Chiarotti, M. Cococcioni, I. Dabo, A. Dal Corso, S. de Gironcoli, S. Fabris, G. Fratesi, R.
Gebauer, U. Gerstmann, C. Gougoussis, A. Kokalj, M. Lazzeri, L. Martin-Samos, N. Marzari, F. Mauri, R. Mazzarello, S. Paolini, A. Pasquarello, L. Paulatto, C. Sbraccia, S. Scandolo, G. Sclauzero, A.P. Seitsonen, A. Smogunov, P. Umari及びR.M. Wentzcovitch著 "QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials." Journal of Physics: Condensed Matter 第21巻第39号第395502頁、2009年刊。
[5]J. Deslippe, G. Samsonidze, D. A. Strubbe, M. Jain, M. L. Cohen及びS. G. Louie著 "BerkeleyGW: A Massively Parallel Computer Package for the Calculation of the Quasiparticle and Optical Properties of Materials and Nanostructures." Computer Physics Communication第183巻第6号第1269頁、2012年刊。
[6]G. Grimvall著 "The Electron-Phonon Interaction in Normal Metals." Physica Scripta 第14巻第1−2号第63頁、1976年刊。
[7]Giri Joshi, Xiao Yan, Hengzhi Wang, Weishu Liu, Gang Chen及びZhifeng Ren著 "Enhancement in Thermoelectric Figure-Of-Merit of an N-Type Half-Heusler Compound by the Nanocomposite Approach." Advanced Energy Materials 第1巻第4号第643頁、2011年刊。
[8]Xiao Yan, Weishu Liu, Hui Wang, Shuo Chen, Junichiro Shiomi, Keivan Esfarjani, Hengzhi Wang, Dezhi Wang, Gang Chen及びZhifeng Ren著 "Stronger phonon scattering by larger differences in atomic mass and size in p-type half-Heuslers Hf1-xTixCoSb0.8Sn0.2." Energy & Environmental Science第5巻第6号第7543頁、2012年刊。
[9]Y. Xia, S. Bhattacharya, V. Ponnambalam, A. L. Pope, S. J. Poon, and T. M. Tritt, "Thermoelectric properties of semimetallic (Zr,Hf)CoSb half-Heusler phases." Journal of Applied Physics 第88巻第4号第1952頁、2000年刊。
[10]Siham Ouardi, Gerhard H. Fecher, Benjamin Balke, Xenia Kozina, Gregory Stryganyuk, Claudia Felser, Stephan Lowitzer, Diemo Kodderitzsch, Hubert Ebert及びEiji Ikenaga著 "Electronic transport properties of electron- and hole-doped semiconducting C1b, Heusler compounds: NiTi1-xMxSn (M = Sc, V)." Physical Review B 第82巻第8号第085108頁、2010年刊。
Appendix The following references are cited in this specification. These disclosures are incorporated herein by reference.
[1] Winnie Wong-Ng and J. Yang "International Center for Diffraction Data and American Society for Metals database survey of thermoelectric half-Heusler material systems." Powder Diffraction Vol. 28, No. 1, p. 32, 2013.
[2] BRK Nanda and I. Dasgupta "Electronic structure and magnetism in half-Heusler compounds." Journal of Physics: Condensed Matter Vol. 15, No. 43, p. 7307, 2003.
[3] Georg KH Madsen and David J. Singh "BoltzTraP. A code for calculating band-structure dependent quantities." Computer Physics Communications, Vol. 175, No. 1, p. 67, 2006.
[4] P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, GL Chiarotti, M. Cococcioni, I. Dabo, A. Dal Corso, S. de Gironcoli, S. Fabris, G. Fratesi, R.
Gebauer, U. Gerstmann, C. Gougoussis, A. Kokalj, M. Lazzeri, L. Martin-Samos, N. Marzari, F. Mauri, R. Mazzarello, S. Paolini, A. Pasquarello, L. Paulatto, C. By Sbraccia, S. Scandolo, G. Sclauzero, AP Seitsonen, A. Smogunov, P. Umari and RM Wentzcovitch "QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials." Journal of Physics: Condensed Matter Vol. 21, No. 39, page 395502, 2009 edition.
[5] "BerkeleyGW: A Massively Parallel Computer Package for the Calculation of the Quasiparticle and Optical Properties of Materials and Nanostructures." Computer Physics Communication by J. Deslippe, G. Samsonidze, DA Strubbe, M. Jain, ML Cohen and SG Louie Vol.183, No.6, p.1269, 2012.
[6] G. Grimvall "The Electron-Phonon Interaction in Normal Metals." Physica Scripta Vol. 14, No. 1-2, p. 63, 1976.
[7] "Enhancement in Thermoelectric Figure-Of-Merit of an N-Type Half-Heusler Compound by the Nanocomposite Approach." Advanced Energy Materials 1st by Giri Joshi, Xiao Yan, Hengzhi Wang, Weishu Liu, Gang Chen and Zhifeng Ren Volume 4, page 643, 2011 edition.
[8] "Stronger phonon scattering by larger differences in atomic mass and size in p-type half" by Xiao Yan, Weishu Liu, Hui Wang, Shuo Chen, Junichiro Shiomi, Keivan Esfarjani, Hengzhi Wang, Dezhi Wang, Gang Chen and Zhifeng Ren -Heuslers Hf 1-x Ti x CoSb 0.8 Sn 0.2 . "Energy & Environmental Science Vol. 5, No. 6, p.
[9] Y. Xia, S. Bhattacharya, V. Ponnambalam, AL Pope, SJ Poon, and TM Tritt, "Thermoelectric properties of semimetallic (Zr, Hf) CoSb half-Heusler phases." Journal of Applied Physics Vol. 88 No. 4, page 1952, published in 2000.
[10] "Electronic transport properties of electron- and hole-doped semiconducting C 1b ," by Siham Ouardi, Gerhard H. Fecher, Benjamin Balke, Xenia Kozina, Gregory Stryganyuk, Claudia Felser, Stephan Lowitzer, Diemo Kodderitzsch, Hubert Ebert and Eiji Ikenaga. Heusler compounds: NiTi 1-x MxSn (M = Sc, V). “Physical Review B, Vol. 82, No. 8, No. 085108, 2010.
Claims (10)
前記脚部のための熱電材料は、1.0よりも大きい熱電性能指数(ZT)を有するハーフホイスラー化合物であり、
前記p型の脚部のための熱電材料は、LaNiSb及びLaNiBiを含むハーフホイスラー化合物のグループから選択される、又は、
前記n型の脚部のための熱電材料は、VCoSn及びTaFeSbを含むハーフホイスラー化合物のグループから選択される、
熱電発電装置モジュール。 A thermoelectric generator module having a plurality of electrically interconnected p-type and n-type thermoelectric material legs, each leg between a high temperature side substrate and a low temperature side substrate of the module Extended,
The thermoelectric material for the legs is a half-Heusler compound having a thermoelectric figure of merit (ZT) greater than 1.0;
The thermoelectric material for the p-type legs is selected from the group of half-Heusler compounds including LaNiSb and LaNiBi, or
The thermoelectric material for the n-type legs is selected from the group of half-Heusler compounds comprising VCoSn and TaFeSb.
Thermoelectric generator module.
請求項1に記載の熱電発電装置モジュール。 The thermoelectric material for the legs has a doping level lower than 0.005 electrons or holes per unit cell,
The thermoelectric generator module according to claim 1.
請求項1に記載の熱電発電装置モジュール。 Doping of the half-Heusler compound for the p-type legs, by replacing part of the components La lanthanum and alkaline earth metals, or by replacing part of the nickel and cobalt, or, antimony or bismuth Optimized by replacing the part with non-metal, semi-metal or base metal,
The thermoelectric generator module according to claim 1.
請求項3に記載の熱電発電装置モジュール。 The alkaline earth metal is selected from magnesium, calcium, strontium and barium;
The thermoelectric generator module according to claim 3.
請求項3に記載の熱電発電装置モジュール。 The non-metal or the base metal is selected from carbon, silicon, germanium, tin and lead;
The thermoelectric generator module according to claim 3.
請求項1に記載の熱電発電装置モジュール。 The doping of the half-Heusler compound for the n-type leg replaces the 5B transition metal with a 4B transition metal, or replaces the iron part with manganese, or replaces the cobalt part with iron. Or by replacing tin with a 3A series element or by replacing antimony with a 4A series element.
The thermoelectric generator module according to claim 1.
請求項6に記載の熱電発電装置モジュール。 The 4B transition metal includes titanium, zirconium and hafnium.
The thermoelectric generator module according to claim 6.
請求項6に記載の熱電発電装置モジュール。 The 3A series elements include boron, aluminum, gallium and indium.
The thermoelectric generator module according to claim 6.
請求項6に記載の熱電発電装置モジュール。 The elements of the 4A series include carbon, silicon, germanium, tin and lead.
The thermoelectric generator module according to claim 6.
当該熱電発電ユニットは、請求項1に記載の熱電発電装置モジュールを複数含む、
熱電発電ユニット。 A thermoelectric power generation (TEG) unit configured to be incorporated into an exhaust gas system of a vehicle,
The thermoelectric generator unit includes a plurality of thermoelectric generator modules according to claim 1,
Thermoelectric generator unit.
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